מחקר חדש בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מספק מסקנות ראשונות מסוגן על תכונותיו של החומר האפל. במסגרת המחקר, החוקרים פיתחו טכנולוגיה קוונטית ייחודית וחדשנית המאפשרת לקבל מידע מדויק יותר על חלקיקים תאורטיים בלתי-נראים ה"חשודים" כחומר אפל קל במיוחד. חומר אפל הוא אחת מהתעלומות הגדולות בפיזיקה. הוא מרכיב את רוב החומר ביקום, וידוע שהוא מבצע אינטראקציה דרך כוח הכבידה, אך טיבו והרכבו טרם ברורים. במרוצת השנים הוצעו שלל חלקיקים תאורטיים אשר מהווים "מועמדים" טובים לשמש כחומר אפל, ביניהם חלקיקים המכונים "חלקיקים דמויי אקסיונים". המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי Science Advanced.
את המחקר הובילו פרופ' תומר וולנסקי ותלמיד המחקר איתי בלוך מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב, גיל רונן ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית וד״ר אור כץ, לשעבר ממכון ויצמן למדע (כיום מאוניברסיטת דיוק).
פרופ' תומר וולנסקי מסביר: "מה שמעניין בחלקיקים דמויי אקסיונים, זה שהם יכולים להיות קלים משמעותית מכל חלקיקי החומר שאנו רואים סביבנו, ועדיין להסביר את קיומו של החומר האפל שבמשך שנים ציפו שיהיה כבד. אחת הדרכים העיקריות לחפש חומר אפל היא לבנות ניסוי גדול עם הרבה מסה, לחכות שחומר אפל יתנגש או ייבלע במסה הזו, ואז למדוד את האנרגיה שהוא השאיר אחריו. אולם, אם החומר האפל הוא קל מדי, האנרגיה שהוא נושא היא כל כך קטנה, עד שלא ניתן למדוד את ההתנגשות או הבליעה שלו, ולכן צריך להיות יצירתיים יותר ולהשתמש בתכונות אחרות של החומר האפל".
לשם איתור ה"חתימה" של החלקיקים הללו, החוקרים תכננו ובנו גלאי ייחודי שבו גז קסנון דחוס ומקוטב אשר משמש לאיתור שדות מגנטים זעירים. באופן מפתיע, מסתבר שאם חלקיקים דמויי אקסיונים הם אכן החומר האפל, אז את השפעתם ניתן להבין כמעין שדה מגנטי חלש וייחודי. הטכניקה החדשנית, בה השתמשו החוקרים לראשונה כחלק מבניית הגלאי, מאפשרת להרחיב את טווח המסות אליהן היינו רגישים בעבר בשלושה סדרי גודל.
הדוקטורנט איתי בלוך מוסיף: "מדובר באופרציה לא פשוטה, שכן החלקיקים הללו, אם הם קיימים, הם בכלל בלתי-נראים. עם זאת, הצלחנו במחקר הזה 'למסגר' את התכונות האפשריות של חלקיקים דמויי אקסיונים, על ידי עצם העובדה שלא מדדנו אותם. כבר היו בעבר מספר ניסיונות למדוד חלקיקים שכאלו, זאת על ידי הפיכתם לחלקיקי אור ולהפך, אך החידוש במחקר שלנו הוא המדידות דרך גרעינים אטומיים, ללא הסתמכות על אינטראקציה עם אור, והיכולת לחפש חלקיקים דמויי אקסיונים במסות שבעבר היו בלתי נגישות".
המחקר מבוסס על פיתוחים מתמטיים סבוכים במיוחד מתחום תורת החלקיקים ומכניקת הקוונטים, ועושה שימוש במודלים סטטיסטיים מתקדמים על מנת להשוות את התוצאות הניסיוניות למול התאוריה. פרופ' וולנסקי מסכם: "בתום עבודה מאומצת בת כחמישה חודשים, הצגנו שיטה חדשה שמרחיבה את מה שחשבנו שאפשרי בגלאים מגנטומטריים, ועל כן מדובר בצעד קטן אך משמעותי לעבר מציאת חומר אפל.
ישנם מועמדים רבים נוספים לחומר אפל, שלכל אחד מהם תכונות קוונטיות אחרות, אך חלקיקים דמויי אקסיונים הם בין האופציות המעניינות ביותר, ואם אי פעם נמצא אותם, זה יהיה צעד עצום בהבנה שלנו את היקום. הניסוי הזה הוא הניסוי הראשון של הקולבורציה, והוא מראה את ההבטחה של הגלאים שלנו. אין לי ספק שזו רק ההתחלה".